L’étude de la variation de la réponse d’instrument de détection de neutrons en fonction de l’énergie est expérimentalement déterminée dans des champs neutroniques mono-énergétiques. Ces champs sont produits avec un faisceau de particules accélérées envoyées sur une cible neutrogène. La caractérisation de ces champs nécessite l’utilisation de détecteurs permettant de mesurer l’énergie des neutrons et leur fluence au point d’étalonnage. Les champs de neutrons mono-énergétiques générés au laboratoire LMDN de l'IRSN par l'accélérateur de particules AMANDE ont une énergie comprise entre 2 keV et 20 MeV avec un faisceau continu ou pulsé. Cette dernière caractéristique permet de mettre en œuvre la méthode du temps de vol comme étalon primaire pour déterminer l'énergie des champs de neutrons mono-énergétiques qui y sont générés. Cette méthode permet également de déterminer la distribution en énergie de la fluence neutronique dans ces champs.

Objectifs

Finalisation de la mise en place de la méthode du temps de vol pour les champs neutroniques supérieurs à 1 MeV avec le détecteur le mieux adapté (scintillateur liquide BC501A ou « Stilbène »)

Mise en place de la technique du temps de vol en-deçà du 1 MeV, avec détermination du détecteur le mieux adapté, définition de son système d'acquisition, caractérisation de sa réponse en fonction de l'énergie et du seuil de discrimination et étude expérimentale de ses performances en temps de vol

Mise en œuvre finale du ou des détecteurs couplés avec son/ses système(s) d’acquisition les plus adaptés (électronique analogique ou numérique) pour l’établissement  des références en énergie et de la distribution en énergie de la fluence d’AMANDE

Résumé et premiers résultats

L’installation AMANDE du LNE-IRSN produit des champs de neutrons mono-énergétiques entre 2 keV et 20 MeV. La méthode de temps de vol a été choisie pour déterminer l’énergie de ces champs neutroniques de manière directe et absolue. Cette méthode consiste à mesurer le temps mis par les neutrons pour parcourir la distance entre la cible (leur lieu de création) et le détecteur et ne dépend ainsi essentiellement que de deux grandeurs :

  • Le temps écoulé entre la création des neutrons produits dans la cible et leur détection dans le détecteur ;
  • La distance entre la cible et ce détecteur.

La première grandeur est déterminable en utilisant le faisceau pulsé d’AMANDE où tous les neutrons sont générés en même temps dans la cible. Les grandeurs de temps, de distance et de masse sont traçables sur les étalons nationaux, ce qui permet d'obtenir une mesure primaire de l'énergie. L’incertitude attendue sur cette mesure est de l'ordre du pourcent. Cette méthode est réalisable à ce jour pour des énergies supérieures à 1 MeV avec un scintillateur liquide BC501A. Quelques études sont encore à finaliser pour obtenir non seulement l’énergie moyenne mais également la distribution en énergie des neutrons. L’utilisation d'un autre type de scintillateur (Stilbène) en lieu et place du BC501A et/ou d’un second détecteur est cependant nécessaire pour étendre le domaine d’application de la méthode du temps de vol en-deçà de 1 MeV.

La méthode du temps de vol permettra ainsi de raccorder tout type de spectromètre neutron sur les références en énergie. Cette méthode sera incluse à terme dans le dossier d’accréditation par le COFRAC de l’installation AMANDE.

Le projet de recherche consiste donc à :

  • déterminer quel(s) détecteur(s) est le mieux adapté en fonction de ses performances de discrimination entre les neutrons et les photons, de sa plage de sensibilité, de sa réponse en énergie, de sa réponse en temps et de ses autres caractéristiques intrinsèques ;
  • définir si un ou plusieurs détecteurs sont nécessaires pour couvrir, avec la méthode du temps de vol, l’ensemble de la gamme en énergie d’AMANDE ;
  • définir le système d'acquisition et de traitement des données le plus adéquat, en mutualisant et en homogénéisant autant que possible avec les systèmes existant ;
  • caractériser la réponse de (ou des) instrument(s) retenu(s) en fonction de l'énergie et du seuil de discrimination, par un étalonnage en fluence traçable sur les références du LNE-IRSN ;
  • étudier expérimentalement les performances de la méthode du temps de vol, notamment en termes d'incertitude sur l'énergie du pic mono-énergétique, et comparer les valeurs obtenues aux valeurs théoriques obtenues par la cinématique des réactions nucléaires,
  • publier dans la revue Metrologia a minima sur l'étalon de référence en énergie, par la méthode du temps de vol, en dessous de 1 MeV.

 

Impacts scientifiques et industriels

Directement traçable sur les références nationales en temps, en longueur et en masse, la méthode du temps de vol pourra être considérée comme métrologiquement "primaire" pour l’énergie des neutrons avec une incertitude de l'ordre de 1 % sur l'énergie moyenne. Cette nouvelle référence primaire profitera à l’ensemble des industriels ayant besoin de réaliser des mesures d’énergies de neutrons (industrie nucléaire, radioprotection…).

Publications et communications

Cognet M-A and Gressier V., 2010, Development of a measurement reference standard for neutron energies between 1 MeV and 20 MeV using time of flight method at the AMANDE facility Metrologia 47 377–86.

Partenaires

Le CEA est un partenaire scientifique par le biais d’une thèse commune sur le scintillateur Stilbène.

Le LNE-IRSN réalise des étalonnages d’appareils de mesure selon les recommandations des normes ISO 8529. Les champs de neutrons thermiques, c’est-à-dire dont l’énergie des neutrons est inférieure à 0,025 eV, comptent parmi ceux recommandés pour l’étalonnage des appareils de radioprotection. Depuis Mars 2015, la norme 21909, spécifique aux systèmes de dosimétrie neutron passifs, est en application. Cette norme préconise de réaliser, entre autres, des irradiations en champ thermique pour caractériser les propriétés intrinsèques des systèmes dosimétriques. L’édition de cette norme devrait accroître la demande en matière d’étalonnage en champ thermique. C’est dans ce contexte que le LNE-IRSN a décidé de mettre en place un nouveau champ de référence de neutrons thermiques.

Objectifs

Définir, par simulations Monte-Carlo, les caractéristiques des champs thermiques pouvant être obtenu avec l’accélérateur T400 (produisant des neutrons de 3 MeV),  couplé à un modérateur et choisir la configuration la plus satisfaisante selon différents critères préalablement définis

Conception et fabrication du bloc modérateur, son support métallique et le banc d’étalonnage associé

Caractériser expérimentalement le champ neutronique produit en terme de fluence et de distribution en énergie de celle-ci

 

Participer à la nouvelle comparaison CCRI(III)-K8

Résumé et premiers résultats

Le LNE-IRSN réalise des étalonnages d’appareils de mesure selon les recommandations des normes ISO 8529. Les champs thermiques comptent parmi les points d’énergie recommandés pour les étalonnages des appareils de radioprotection. Le LNE-IRSN a décidé de mettre en place une nouvelle référence thermique, compte tenu de son expérience et de son savoir-faire en la matière acquise avec l’installation précédente, SIGMA, aujourd’hui à l’arrêt.

Ce nouveau champ thermique sera généré au moyen de l’accélérateur T400 de l’installation CEZANE de l’IRSN, couplé à un bloc de graphite, dont les dimensions seront à déterminer afin de satisfaire entre autres à des critères physiques, relatifs à la contribution maximale des neutrons thermiques aux débits de fluence et d’équivalent de dose ambiant, l’idéal étant d’atteindre un champ thermique pur en fluence et en équivalent de dose ambiant.

Ce projet couvre ainsi l’ensemble des actions relatives à la définition du modérateur jusqu’à la caractérisation expérimentale des champs neutroniques (T400 nu et champ thermique), une fois les éléments fabriqués et l’accélérateur T400 remis en service. Le projet sera réalisé sur trois ans, de 2018 à 2020, avec pour objectif une participation du LNE-IRSN, à partir de fin 2020, à l’exercice de comparaison internationale organisée par le Comité Consultatif des Rayonnements Ionisants sur les champs thermiques et pilotée par le LNE-IRSN dès 2019 (« Key-Comparisons CCRI(III)-K8-2019 »).

En 2018, les caractéristiques techniques du modérateur thermique ont été définies via une étude par simulations Monte-Carlo (matériaux, géométrie, dimensions). Suite à cette étude par simulations, une étude technique de réalisation a été lancée. En parallèle, l’accélérateur T400 a été remis en service. La fabrication du modérateur est prévue en 2019 ainsi que son intégration avec l’accélérateur T400. Le dispositif CARAT devrait être mis en service en 2020, après la caractérisation spectrométrique et dosimétrique du champ neutronique.

Impacts scientifiques et industriels

La mise en place d’un nouveau champ thermique s’inscrit dans le contexte des recommandations de la norme 21909. Le LNE-IRSN propose d’ores et déjà des prestations d’étalonnage avec des sources de neutrons isotopiques (252Cf et 241AmBe), ainsi qu’auprès d’AMANDE avec des champs neutroniques mono-énergétiques.

Grâce à la mise en place du dispositif thermique CARAT qui sera défini dans ce projet, le laboratoire sera en mesure d’étendre son offre de prestations et la compléter avec cette énergie d’étalonnage supplémentaire, ainsi que de participer aux mesures de la nouvelle comparaison CCRI(III).K-8.

Publications et communications

ISO 8529-1:2001 Reference neutron radiations — Part 1: Rayonnements neutroniques de référence -- Partie 1: Caractéristiques et méthodes de production

ISO 21909 Dosimètres individuels passifs pour les neutrons -- Exigences de fonctionnement et d'essai

V. Lacoste, Design of a new IRSN thermal field facility using Monte Carlo simulations, Rapport DRPH/SDE n°2007-14 (2007)

V. Lacoste, Design of a new IRSN thermal neutron field facility using Monte Carlo simulations, Radiation Protection Dosimetry, 126: 58-63 (2007)

R. Babut, Etude de conception par simulations Monte-Carlo d’un modérateur pour le T400, Rapport PSE-SANTE/SDOS/LMDN 2018-00064 (2018)

 

Publications

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Communications

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Publications

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BABUT R. et GRESSIER V., “(n,p) reactions contribution in spherical proton recoil proportional counter responses”, JINST, 41, 2006, P01005.

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BE M.-M., CHISTE V., DULIEU C., BROWNE E., BAGLIN C., CHECHEV V., KUZMENKO N., HELMER R, KONDEV F., MACMAHON T.D. et LEE K.B., « Table of Radionuclides », Monographie BIPM-5, ISBN 92-822-2218-7 (Vol. 3) et ISBN 92-822-2219-5 (CD).

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LÉPY M.-C., BRUN P., COLLIN C. et PLAGNARD J., “Experimental validation of coincidence summing corrections computed by the ETNA software”, Applied Radiation and Isotopes, 64, 2006, 1340-1345.

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Communications

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GRESSIER V., ASSELINEAU B., GUERRE-CHALEY J.-F., MARTIN A. et MULLER H., “AMANDE accelerator energy performances”, International workshop on Fast Neutron Detectors and Applications, Le Cap, Afrique du Sud, 3-6 avril 2006.

LEBRETON L., GUERRE-CHALEY J.-F., MANUEL D., DUPONCHEL B. et MAURY V., “Performances of digital acquisition for a BC501A detector system”, International workshop on Fast Neutron Detectors and Applications, Le Cap, Afrique du Sud, 3-6 avril 2006.

DOLO J.-M. et GARCIA T., “Composition of alanine pellet dosimeters: background study for low doses applications”, 216th PTB-Seminar Workshop on Alanine Dosimetry for Clinical Applications, Braunschweig, Allemagne, 8-9 mai 2006.

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DAURES J. et OSTROWSKY A, “Standard graphite calorimeter for dosimetry at LNE-LNHB”, 2nd European International Radiation Protection Association, Paris, France, 15-19 mai 2006.

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Communications

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CLAIRAND I., BORDY J.-M., DAURES J., DEBROAS J., DENOZIERE M., DONADILLE L., GINJAUME M., ITIE C., KOUKORAVA C., KRIM S., LEBACQ A., MARTIN P., STRUELENS L., SANS-MERCE M., TOSIC M. et VANHAVERE F.,Active personal dosemeters in interventional radiology: tests in laboratory conditions and in hospitals”, International workshop on Optimization of Radiation Protection of Medical Staff (ORAMED 2011), Barcelone, Espagne, 20-22 janvier 2011.

DAURES J., CLAIRAND I., BORDY J.-M., CARINOU E., DEBROASÉ J., DENOZIÈRE M., DONADILLE L., GINJAUME M., ITIÉ C., KRIM S., MARTIN P., SANS MERCE M., STRUELENS L. et VANHAVERE F., Guidelines on the use of active personal dosemeters in interventional radiology/cardiology”, Interna-tional workshop on Optimization of Radiation Protection of Medical Staff (ORAMED 2011), Barcelone, Espagne, 20-22 janvier 2011.

DAURES J., GOURIOU J. et BORDY J.-M., Monte carlo determination of the conversion coefficients h(p)(3)/k(a) in a right cylinder phantom with 'penelope' code. Comparison with 'mcnp' simulations”, International workshop on Optimization of Radiation Protection of Medical Staff (ORAMED 2011), Barcelone, Espagne, 20-22 janvier 2011.

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GUALDRINI G., MARIOTTI F., WACH S., BILSKI P., DENOZIERE M., DAURES J., BORDY J.-M., FERRARI P., MONTEVENTI F. et FANTUZZI E.,Eye lens dosimetry: task 2 within the oramed project, International workshop on Optimization of Radiation Protection of Medical Staff (ORAMED 2011), Barcelone, Espagne, 20-22 janvier 2011.

MARIOTTI F., FANTUZZI E., MORELLI B., GUALDRINI G., BOTTA M.C., ULERI G., BORDY J.-M. et DENOZIÈRE M.,ENEA extremity dosemeter based on lif(mg,cu,p) to evaluate h(p)(3,alpha), International workshop on Optimization of Radiation Protection of Medical Staff (ORAMED 2011), Barcelone, Espagne, 20-22 janvier 2011.

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CLAIRAND I., BORDY J.-M., CARINOU E., DAURES J., DEBROAS J., DENOZIÈRE M., DONADILLE L., GINJAUME M., ITIÉ C., KOUKORAVA C., KRIM S., LEBACQ A.L., MARTIN P., STRUELENS L., SANS-MERCÉ M. et VANHAVERE F., « Utilisation des dosimètres opérationnels en radiologie/cardiologie interventionnelle : résultats du projet européen Oramed », 8e Congrès National de Radioprotection (SFRP 2011), Tours, France, 20-23 juin 2011.

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